1、牛顿及牛顿运动定律简介艾萨克牛顿（Isaac Newton）是英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自然哲学家，其研究领域包括了物理学、数学、天文学、神学、玄学、自然哲学和炼金术。牛顿的主要贡献有发明了微积分，发现了万有引力定律和经典力学，设计并实际制造了第一架反射式望远镜等等，被誉为人类历史上最伟大，最有影响 力的科学家。为了纪念牛顿在经典力学方面的杰出成就，“牛顿(N)”后来成为衡量力的大小的物理单位。 牛顿第一定律（惯性定律）内容：表述一：任何一个物体在不受任何外力的时候（Fnet=0），总保持匀速直线运动或静止状态，直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。 表述二：当质点该距离
2、其他质点足够远时，这个质点就作匀速直线运动或保持静止状态。 即：质量是惯性大小的量度。 惯性大小只与质量有关，与速度和接触面的粗糙程度无关。 质量越大，克服惯性做功越大；质量越小，克服惯性做功越小。 牛顿第二运动定律内容：物体的加速度跟物体所受的合外力成正比，跟物体的质量成反比，加速度的方向跟合外力的方向相同。 公式； F合=ma （单位：N（牛）或者千克米每二次方秒） 牛顿发表的原始公式：F=d(mv)/dt（见 自然哲学之数学原理） 动量为p的物体，在合外力为F的作用下，其动量随时间的变化率等于作用于物体的合外力。 用通俗一点的话来说，就是以t为自变量，p为因变量的函数的导数，就是该点所受
3、的合外力。 即： F=dp/dt=d(mv)/dt （d即不是德尔塔，而是微分的意思。但是在中学学习的一般问题中，两者可以不做区别） 而当物体低速运动，速度远低于光速时，物体的质量为不依赖于速度的常量，所以有 F=m(dv/dt)=ma 这也叫动量定理。在相对论中F=ma是不成立的，因为质量随速度改变，而F=d(mv)/dt依然使用。 由实验可得在加速度一定的情况下Fm,在质量一定的情况下Fa (只有当F以N,m以kg，a以m/s2为单位时，F合=ma 成立） 几点说明： 第二定律（1）牛顿第二定律是力的瞬时作用规律。力和加速度同时产生、同时变化、同时消逝。 （2）F=ma是一个矢量方程，应用
4、时应规定正方向，凡与正方向相同的力或加速度均取正值，反之取负值，一般常取加速度的方向为正方向。 （3）根据力的独立作用原理，用牛顿第二定律处理物体在一个平面内运动的问题时，可将物体所受各力正交分解，在两个互相垂直的方向上分别应用牛顿第二定律的分量形式：Fx=max，Fy=may列方程。 牛顿第二定律的六个性质（1）因果性：力是产生加速度的原因。 （2）同体性：F合、m、a对应于同一物体。 （3）矢量性：力和加速度都是矢量，物体加速度方向由物体所受合外力的方向决定。牛顿第二定律数学表达式F = ma中，等号不仅表示左右两边数值相等，也表示方向一致，即物体加速度方向与所受合外力方向相同。 （4）瞬
5、时性：当物体（质量一定）所受外力发生突然变化时，作为由力决定的加速度的大小和方向也要同时发生突变；当合外力为零时，加速度同时为零，加速度与合外力保持一一对应关系。牛顿第二定律是一个瞬时对应的规律，表明了力的瞬间效应。 （5）相对性：自然界中存在着一种坐标系，在这种坐标系中，当物体不受力时将保持匀速直线运动或静止状态，这样的坐标系叫惯性参照系。地面和相对于地面静止或作匀速直线运动的物体可以看作是惯性参照系，牛顿定律只在惯性参照系中才成立。 （6）独立性：作用在物体上的各个力，都能各自独立产生一个加速度，各个力产生的加速度的失量和等于合外力产生的加速度。 适用范围（1）只适用于低速运动的物体（与光
6、速比速度较低）。 （2）只适用于宏观物体，牛顿第二定律不适用于微观原子。 （3）参照系应为惯性系。 牛顿第三运动定律内容两个物体之间的作用力和反作用力，在同一直线上，大小相等，方向相反。（详见牛顿第三运动定律） 表达式F=-F 第三定律（F表示作用力，F表示反作用力，负号表示反作用力F与作用力F的方向相反） 说明要改变一个物体的运动状态，必须有其它物体和它相互作用。物体之间的相互作用是通过力体现的。并且指出力的作用是相互的，有作用力必有反作用力。它们是作用在同一条直线上，大小相等，方向相反。 注意1.相互作用力的特点 力的作用是相互的。同时出现，同时消失。 相互作用力一定是相同性质的力 作用力
7、和反作用力作用在两个物体上，产生的作用不能相互抵消。 作用力也可以叫做反作用力，只是选择的参照物不同 作用力和反作用力因为作用点不在同一个物体上，所以不能求合力 2.相互作用力和平衡力的区别 相互作用力是大小相等、方向相反、作用在两个物体上、且在同一直线上的力；两个力的性质是相同的。 平衡力是作用在同一个物体上的两个力，大小相同、方向相反，并且作用在同一直线上。两个力的性质可以是不同的。 相互平衡的两个力可以单独存在，但相互作用力同时存在，同时消失 例如：物体放在桌子上，对于物体所受重力与支持力，二者属于平衡力，将物体拿走后支持力消失，而重力依然存在 而物体在桌子上，物体所受的支持力与桌面所受
8、的压力，二者为一对作用力与反作用力物体拿走后，二者都消失 牛顿运动定律适用范围牛顿运动定律是建立在绝对时空以及与此相适应的超距作用基础上的所谓超距作用，是指分离的物体间不需要任何介质，也不需要时间来传递它们之间的相互作用。也就是说相互作用以无穷大的速度传递。 除了上述基本观点以外，在牛顿的时代，人们了解的相互作用。如万有引力、磁石之间的磁力以及相互接触物体之间的作用力，都是沿着相互作用的物体的连线方向，而且相互作用的物体的运动速度都在常速范围内。 在这种情况下，牛顿从实验中发现了第三定律。“每一个作用总是有一个相等的反作用和它相对抗；或者说，两物体彼此之间的相互作用永远相等，并且各自指向其对方
9、。”作用力和反作用力等大、反向、共线，彼此作用于对方，并且同时产生，性质相同，这些常常是我们讲授这个定律要强调的内容。而且，在一定范围内，牛顿第三定律与物体系的动量守恒是密切相联系的。 但是随着人们对物体间的相互作用的认识的发展，19世纪发现了电与磁之间的联系，建立了电场、磁场的概念；除了静止电荷之间有沿着连线方向相互作用的库仑力外，发现运动电荷还要受到磁场力即洛伦兹力的作用；运动电荷又将激发磁场，因此两个运动电荷之间存在相互作用。在对电磁现象研究的基础上，麦克斯韦（18311879）在18551873年间完成了对电磁现象及其规律的大综合、建立了系统的电磁理论，发现电磁作用是通过电磁场以有限的
10、速度（光速c）来传递的，后来为电磁波的发现所证实。 物理学的深入发展，暴露出牛顿第三定律并不是对一切相互作用都是适用的。如果说静止电荷之间的库仑相互作用是沿着二电荷的连线方向，静电作用可当作以“无穷大速度”传递的超距作用，因而牛顿第三定律仍适用的话，那么，对于运动电荷之间的相互作用，牛顿第三定律就不适用了。如图所示，运动电荷B通过激发的磁场作用于运动电荷A的力为 （并不沿AB的连线），而运动电荷A的磁场在此刻对B电荷却无作用力（图中未表示它们之间的库仑力）。由此可见，作用力在此刻不存在反作用力，作用与反作用定律在这里失效了。 实验证明：对于以电磁场为媒介传递的近距作用，总存在着时间的推迟。对于
11、存在推迟效应的相互作用，牛顿第三定律显然是不适用的。实际上，只有对于沿着二物连线方向的作用（称为有心力），并可以不计这种作用传递时间（即可看做直接的超距作用）的场合中，牛顿第三定律才有效。 但是在牛顿力学体系中，与第三定律密切相关的动量守恒定律，却是一个普遍的自然规律。在有电磁相互作用参与的情况下，动量的概念应从实物的动量扩大到包含场的动量；从实物粒子的机械动量守恒扩大为全部粒子和场的总动量守恒，从而使动量守恒定律成为普适的守恒定律。 牛顿运动定律创立的伟大意义牛顿的三大运动定律构成了物理学和工程学的基础。正如欧几里德的基本定理为现代几何学奠定了基础一样，牛顿三大运动定律为物理科学的建立提供了
12、基本定理。三大定律的推出、地球引力的发现和微积分的创立使得牛顿成为过去过去一千年中最杰出的科学巨人。 牛顿算不上是实验者，他喜欢思考问题，像爱因斯坦那样在脑海里做实验。他会长时间专注地想事情，直到得出他需要的答案。用他自己的话说，他会“把问题摆在面前，然后开始等待，一直等到出现第一缕曙光，接着渐渐变得清晰，最后豁然开朗”。 不久，一个问题开始困扰着牛顿：是什么力量导致了运动呢？他集中精力研究伽利略的自由落体定律和开普勒的行星运动规律。他痴迷到了废寝忘食的地步，身体几乎处于崩溃的边缘。 1666年初，牛顿创立了三大运动定律，这些定律为他发明微积分和发现地球引力创造了必不可少的条件。但直到20年后
13、哈雷鼓励牛顿写自然哲学的数学原理时，牛顿才公布了他创立的三大定律。 1684年，让皮卡尔第一次精确地求出了地球的大小和质量。有了这些必要的数字，牛顿就能证明：利用三大运动定律和他的重力方程式可以正确地计算出行星运动的真实轨道。即使有了确凿的数学证据，牛顿也只是在哈雷的请求和说服下于1687年发表了自然哲学和数学原理，发表这本书最主要的原因是罗伯特胡克声称（错误地声称），他自己已经发现了运动的普遍规律。自然哲学和数学原理成为科学史上备受推崇和人们经常使用的出版物。 牛顿运动定律与守恒定律的关系在现代物理学中，动量守恒定律、能量守恒定律与角动量守恒定律相比牛顿定律更为普遍适用，它们既应用于光，也应用于物质；既应用于经典物理学，也应用于非经典物理学。 它们的陈述都非常简单：“动量、能量、角动量既不可能凭空创造也不可能凭空消失”。 因为力是动量的时间衍生物，因此力这个概念显得有些多余，是从属于守恒定律的。力的概念也不能应用于基础理论，如量子力学、量子电动力学、广义相对论中。标准模型解释了三种基本力（强力、弱力和电磁力）是如何从规范场中起源并通过虚粒子转换的。其他的力例如重力与费米简并压力也可以从动量守恒中引出。